JVM内存和垃圾回收-01.JVM和Java体系结构

1.Java和JVM的区别

• Java是跨平台的语言，而JVM是跨语言的平台

  • JVM只关心字节码文件。只要其他编程语言(未必是Java语言)的编译结果满足并包含JVM的内部指令集等信息，它就是有效的字节码文件，能够被JVM识别且装载运行：

  

• 不同的编译器可以编译出相同的字节码文件，字节码文件也可以在不同的JVM上运行：

• JVM和Java语言没有必然的联系，JVM只和Class文件格式所关联，Class文件中包含JVM指令集(或者称为字节码)和符号表以及其他辅助信息

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2.虚拟机和JVM

• 虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机：

  • 系统虚拟机：完全是对物理计算机的仿真，如VMWare、Visual Box，提供了一个可以运行完整操作系统的软件平台
  • 程序虚拟机：专门为执行单个计算机程序而执行，如在JVM中执行的指令称为Java字节码指令

• JVM是一台执行二进制字节码的虚拟计算机。它拥有独立的运行机制，其运行的字节码也未必由Java语言编译而成。JVM平台的各种语言可以共享JVM带来的跨平台性、优秀的垃圾回器以及可靠的即时编译器

  • 作用：JVM负责装载字节码到其内部，解释/编译为对应平台上的机器指令执行。每一条指令，JVM规范中都有详细定义，如怎么取操作数，怎么处理操作数，处理结果放在哪里等

  • 特点：

    • 一次编译，到处运行

    • 自动内存管理

    • 自动垃圾回收功能

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3.JVM的位置

• JVM是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互:

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4.JVM的整体结构

• 下面结构图针对HotSpot VM，它采用解释器与即时编译器并存的架构：

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5.Java代码执行流程

• 在下图中Java编译器为前端编译器，而JVM中的JIT编译器为后端编译器（操作系统只识别机器指令，不识别字节码）：

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6.JVM的架构模型

• Java编译器输入的指令流一般基于下面两种架构。由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的（不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的）：

  • 基于栈的指令集架构（如HotSpot VM）：

    • 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统

    • 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配

    • 指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。指令集更小，编译器容易实现

    • 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

    • 性能下降，实现同样的功能需要更多的指令

    # 执行2+3的操作
    iconst_2 //常量2入栈
    istore_1
    iconst_3 // 常量3入栈
    istore_2
    iload_1
    iload_2
    iadd //常量2/3出栈，执行相加
    istore_0 // 结果5入栈
    

  • 基于寄存器的指令集架构：

    • 典型的应用是x86的二进制指令集：比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机

    • 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差

    • 性能优秀和执行更高效

    • 花费更少的指令去完成一项操作

    • 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

    # 执行2+3的操作
    mov eax,2 //将eax寄存器的值设为2
    add eax,3 //使eax寄存器的值加3
    

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7.JVM的生命周期

• 虚拟机的启动：JVM的启动是通过引导类加载器（bootstrap class loader）创建一个初始类（initial class）来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的

• 虚拟机的执行：

  • 运行中的JVM的任务为执行Java程序

  • 程序开始执行时开始运行，程序结束时就停止

  • 执行Java程序时真正在执行的是JVM的进程

• 虚拟机的退出：

  • 程序正常执行结束

  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

  • 由于操作系统用现错误而导致Java虚拟机进程终止

  • 某线程调用Runtime类或system类的exit方法，或Runtime类的halt方法，并且Java安全管理器也允许这次exit或halt操作

  • JNI（Java Native Interface）规范描述了用JNI Invocation API来加载或卸载JVM时

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8.JVM的发展历程

• Sun Classic VM：世界上第一款商用JVM，这款虚拟机内部只提供解释器，如果使用即时编译器，就需要进行外挂

  • 解释器进行逐行解释字节码，效率比较低

  • 即时编译器会把热点代码缓存起来，那么以后使用热点代码的时候，效率就比较高

  • 解释器和编译器不能配合工作

• Exact VM：虚拟机可以知道内存中某个位置的数据具体是什么类型

• HotSpot VM：名称中的HotSpot指的就是它的热点代码探测技术

  • 通过计数器找到最具编译价值代码，触发即时编译或栈上替换

• 通过编译器与解释器协同工作，在最优化的程序响应时间（解释器负责）与最佳执行性能（编译器负责）中取得平衡

• JRockit：专注于服务器端应用。不太关注程序启动速度，因此内部不包含解析器，全部代码都靠即时编译器编译后执行

• …

tips:

• 字节码不是先给解释器再给即时编译器执行，只使用解释器/即时编译器也是可以完成完成编译的
• 为什么不选择将所有字节码全部使用即时编译器进行缓存，而只是缓存热点代码？如果全部进行缓存会导致程序启动时响应时间过长

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